頸動脈狹窄患者擴散加權成像的b值優化

方慧　周勇　孟凡偉　姜洪雁　周慧　曲濤

【摘要】 目的：探討頸動脈狹窄患者在1.5T MR擴散加權成像合理b值的取值范圍。方法：對27例經磁共振血管成像證實為頸動脈中度以上狹窄患者行DWI檢查，b值分別采用0、50、100、150、200、400、600、800、1000、1600、2000、2400、3000 s/mm2。測量不同b值下的同側不同腦區ADC值和圖像的SNR、CNR、SIR，采用Pearson相關檢驗分析不同b值時各參數變化規律，采用配對t檢驗分析不同腦區ADC值變化規律。結果：b值與感興趣區的SNR、CNR、SIR、ADC值呈負相關。狹窄側側腦室旁前部與同側額葉白質區、狹窄側與健側側腦室旁前部白質區ADC值比較，差異均有統計學意義（P<0.05）。結論：b值的選擇對于SNR、CNR、SIR、ADC值的測量均有顯著影響，b值為800～1000 s/mm2時低灌注腦白質的圖像質量、ADC值測量穩定性較好，可能提供更加準確的信息。

【關鍵詞】 動脈狹窄； 擴散加權成像； 磁共振成像

Optimization of b-value in Cerebral Diffusion-Weighted 1.5T MR Imaging of Carotid Stenosis/FANG Hui， ZHOU Yong， MENG Fan-wei， et al.//Medical Innovation of China，2016，13（04）：009-013

【Abstract】 Objective： To optimize the b-value of cerebral diffusion-weighted MRI at 1.5T on DWI. Method： 27 patients were examined using EPI-DWI with different b values on a 1.5T MR scanner. The b-value of EPI-DWI was 0， 50， 100， 150， 200， 400， 600， 800， 1000， 1600， 2000， 2400， 3000 s/mm2， respectively. The SNR， CNR， SIR， and ADC value of periventricular anterior and the frontal lobe were measured. The correlation between the b-value and SNR， CNR， SIR， ADC was analyzed by Pearson correlation analysis. The differences were compared among the ADC value of the narrow side and the healthy side， periventricular anterior and the frontal lobe with Paired T test. Result： The SNR， CNR， SIR of DWI and ADC value of periventricular anterior decreased as the b-value increased， showed inverse correlations separately. The differences among the ADC value of the narrow side and the healthy side， periventricular anterior and the frontal lobe were significant. Conclusion： The selections of b values affected SNR， CNR， SIR and ADC values significantly. The optimized b-values of DWI for cerebral hypoperfusion at 1.5T is between 800 s/mm2 and 1000 s/mm2， when measuring stability of SNR， CNR， SIR and ADC value are better than others.

【Key words】 Artery stenosis； Diffusion-weighted imaging； Magnetic resonance imaging

First-authors address： The Fifth Peoples Hospital of Dalian， Dalian 116021， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2016.04.003

磁共振擴散加權成像（diffusion-weighted imaging， DWI）是一種無創性反映活體組織中水分子擴散運動的最佳方法。除水分子本身布朗運動差異外，b值、各向異性、T2透射效應及偽影等對DWI信號均有影響，其中b值為最易受控因素。選擇合適的b值是改善DWI圖像信噪比（Signal-noise ratio， SNR）、對比噪聲比（Contrast-noise ratio， CNR）、信號強度比（Signal intensity ratio， SIR），提高病變顯示能力的有效方法之一。因此，b值的優化是DWI在頸動脈狹窄顱腦低灌注應用研究的前提。本研究采用多b值測量，旨在分析正常腦白質、低灌注腦白質表觀彌散系數（Apparent diffusion coeffient， ADC）及SNR、CNR、SIR等的變化規律，探討該類患者行1.5T MRI顱腦DWI檢查合理的b值取值范圍。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2013年1-6月于大連市第五人民醫院經頸動脈MRA、顱腦常規檢查、顱腦MRA及多b值DWI，并證實為頸動脈中度以上狹窄同時排除顱內動脈狹窄的患者27例（14例單側，13例雙側頸動脈狹窄），其中重度狹窄及閉塞17支，中度狹窄23支，年齡43～86歲，女14例，男13例，平均（63.70±9.79）歲。各項檢查間隔不超過兩周，其間未發生急性腦血管事件，新發梗死者兩周內無明顯進展。排除頸動脈存在明確的非動脈粥樣硬化病變，顱內動脈狹窄、心源性因素致顱內缺血，急性腦出血，大面積腦梗死，特定原因引起的腦白質脫髓鞘改變，嚴重精神癥狀，幽閉恐懼等無法耐受檢查者。

1.2 儀器設備與檢查方法 使用1.5T超導MR掃描儀（Philips Interia 1.5T，荷蘭），8通道頭頸聯合線圈，仰臥位。TR 2940 ms，TE 83 ms，層厚7 mm，NSA 1，FOV 230 mm×230 mm×143 mm，矩陣192×153，EPI factor 79。b值分別采用0與50、100、150、200、400、600、800、1000、1600、2000、2400、3000 s/mm2。

1.3 圖像的后處理及數據測量 （1）分析環境：Extended MR WorkSpace 2.6.3.4。（2）計算公式：SNR組織=S組織/ SD噪聲，CNR=（SI目標-SI周圍）/SD噪聲，

SIR=SI目標/S組織，其中S組織為腦組織的信號強度，SD噪聲為相應層面相位編碼方向背景噪聲信號強度的標準差，SI目標為目標腦白質的信號強度，SI周圍為周圍白質區的信號強度，計算不同b值下的SNR、CNR及SIR值。ROI面積約為（20±1）mm2。（3）頸動脈狹窄分度：頸動脈狹窄程度的測量依據以下公式，血管狹窄程度%=（1-血管最窄處管腔直徑/狹窄遠端正常管腔直徑）×100%。狹窄分度依據北美癥狀性頸動脈內膜切除協作組（North American Sympotomatic Carotid Earterecomy Trial， NASCET）測量狹窄程度的標準，即狹窄程度≥30%者入組。

1.4 分析計算 在DWI上將ROI置于正常雙側額葉腦白質區測量S組織，將ROI置于相位編碼方向上的背景噪聲區測量SD噪聲，計算不同b值下的SNR；將ROI置于側腦室體旁皮層下分水嶺區腦白質，每位患者ROI形狀及大小盡量保持一致，所有數據測量3次取平均值。

1.5 統計學處理 使用SPSS 19.0軟件采用Pearson相關分析法分析圖像的SNR、CNR、SIR、ADC值隨不同b值的變化規律。采用t檢驗比較同一b值下額葉腦白質、側腦室旁白質區的平均ADC值及單側頸動脈狹窄患者雙側側腦室旁白質區的平均ADC值。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

不同b值DWI圖像的圖像質量參數及相應ADC圖上狹窄血管同側側腦室前部及額葉皮質下白質區ROI的ADC值測量結果見表1及圖1～2。圖像質量指標（SNR、CNR、SIR）、狹窄血管同側側腦室前部及額葉皮質下白質區ROI的ADC值分別與b值變化關系的Pearson相關檢驗結果見表1及圖1～6。狹窄側側腦室前部與同側額葉白質ADC值配對t檢驗結果為t=5.878，P<0.01，狹窄側與健側側腦室前部腦白質ADC值配對t檢驗結果為t=4.530，P<0.01。

表1 不同b值時DWI圖的圖像質量參數、對應ADC值及Pearson

相關檢驗結果

b值 圖像質量指標

ADC 10-3 mm2/s

SNR CNR SIRDWI 側腦室前部白質 額葉皮質下白質 SIRADC

50 s/mm2 60.98 13.20 1.28 551.1±74.5 521.4±77.7 1.057

100 s/mm2 58.46 11.37 1.25 762.7±71.3 727.1±73.4 1.049

150 s/mm2 53.01 9.79 1.24 1027.1±75.5 997.5±72.4 1.030

200 s/mm2 48.42 8.88 1.23 1205.6±75.0 1136.5±71.0 1.061

400 s/mm2 43.61 8.72 1.25 1150.4±68.3 1063.6±70.4 1.067

600 s/mm2 43.99 7.04 1.20 1043.1±73.0 1008.2±69.0 1.035

800 s/mm2 32.43 3.57 1.13 988.6±66.3 904.6±68.4 1.093

1000 s/mm2 31.26 5.68 1.22 885.2±70.5 822.9±67.4 1.076

1600 s/mm2 22.79 1.12 1.05 795.2±68.7 775.8±70.4 1.025

2000 s/mm2 18.20 1.79 1.12 774.5±70.4 738.3±64.9 1.049

2400 s/mm2 15.51 0.95 1.08 724.1±65.6 716.9±65.7 1.010

3000 s/mm2 10.61 0.76 1.09 641.6±63.2 616.2±70.4 1.041

r值 -0.730 -0.661 -0.557 -0.402 -0.381 -0.012

P值 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 >0.05

3 討論

在生理狀態下，體內存在快、慢速彌散質子池，包括細胞內水分子（快彌散）和細胞外水分子（慢彌散）、血管內水分子（快彌散）和血管外水分子（慢彌散）。處于不同區域的水分子表現出不同的擴散狀態。近年來很多學者嘗試將單指數模型、雙指數模型、拉伸指數模型應用于健康志愿者及頸動脈狹窄患者顱腦擴散加權成像的研究中[1-2]。相對于雙指數模型，單指數模型應用更為廣泛，b值的選擇更為重要。目前顱腦擴散加權成像臨床研究應用中廣泛采用常規參數b=0，1000 s/mm2進行研究。但多項研究表明對于不同的研究內容，組織分子擴散和微循環灌注特點不同，最適宜的b值也不盡相同[3-4]。

慢性低灌注腦損傷時，軸突損傷、膠質增生[5]，神經元核膜皺縮，異染色質增多，核仁消失或變小，髓鞘脫失[6]，縫隙連接密度低[7]，使細胞內外、跨膜及微循環水分子擴散更加自由，即同時存在局部腦組織灌注增加和擴散自由兩個方面，故行多b值單指數模型的臨床應用研究，旨在探求適用于低灌注腦損傷單指數模型擴散加權成像研究的最優b值。

圖1 狹窄側側腦室旁前部白質區SNR隨b值變化內插線

圖2 狹窄側側腦室旁前部白質區CNR隨b值變化內插線

圖3 狹窄側側腦室旁前部白質區SIRDWI隨b值變化內插線

圖4 狹窄側側腦室旁前部白質區SIRADC隨b值變化內插線

圖5 狹窄側側腦室體旁前部白質區ADC值隨b值變化內插線

圖6 狹窄側額葉白質區ADC值隨b值變化內插線

3.1 DWI的CNS、SNR、SIR值隨b值變化趨勢 SNR、CNR愈高，圖像質量愈好。SIR能夠較好地反映兩個相鄰結構的差別，在特性組織和周圍組織間表現出足夠的對比度。三者均為評價圖像質量的重要參數。本研究發現，隨著b值的升高，SNR、CNR、SIR均呈明顯的下降趨勢（圖1、2），與文獻[8]報道相符。另外，b值與SNR呈高度負相關，與CNR、SIR呈中度負相關。當b值高于800 s/mm2，SNR、CNR、SIR曲線斜率逐漸變緩，測量數據分布趨于集中，數據結果穩定性較好。b值較低時腦白質的信號異常更為明顯；隨著b值的升高，組織信號迅速衰減，DWI各向異性更為明顯。b值低于1000 s/mm2，DWI的灰白質信號的對比與T2WI相似；b值大于1600 s/ mm2時灰白質信號對比倒置，從而導致病變-背景信號對比相應發生改變隨著b值增加，白質信號高于灰質。

3.2 ADC 值隨b值變化趨勢 研究結果顯示，隨著b值的升高，側腦室體旁前部腦白質與額葉白質區ADC值變化趨勢類似，ADC值先升后降，于b=200 s/mm2出現拐點；當b值高于1000 s/mm2，ADC值下降逐漸變緩，測量數據分布趨于集中。

b值高于1000 s/mm2時，ADC值隨b值升高逐漸下降，這與雷正勇等[8]使用1000、2000、3000 s/mm2對正常人行顱腦擴散加權成像研究中得出的ADC隨b值升高下降的研究結論一致。值得注意的是，本研究b值低于1000 s/mm2時，ADC值出現了先升后降的趨勢。結合雙指數模型的計算公式：S（b）/S0=VFast×exp（-b×ADCFast）+VSlow×exp（-b×ADCSlow），VFast+VSlow=1。其中ADCFast、ADCSlow分別代表快速池和慢速池的ADC值，VFast、VSlow分別代表快速和慢速池的體積分數，VFast+VSlow=1。對于同b值同一感興趣區，ADC值大小取決于快、慢速池ADC值這兩個變量，本研究結果中ADC值-b值曲線中間高兩邊低的分布形態正是反映出在不同b值條件下快速池與慢速池的權重不同，ADC值不表現出單指數曲線單向變化的特點。

側腦室旁前部白質與額葉白質的信號強度比與b值相關性不顯著，在b=800 s/mm2時，SIRADC最大，病灶與正常白質對比加大，相對于實驗其他b值，對疾病的顯示更為有利。在b=400、1000 s/mm2時，信號強度比較大，數據分布相對b=800 s/mm2時更為集中，對于病變區的顯示較為理想。如果以1000 s/mm2為界，總體上SIRADC值信號強度比低b值要高于高b值。這與郭獻忠等[9]的研究一致，即在觀察灰質和白質缺血病灶時選擇不同：灰質特別是額葉內側皮質內的缺血病灶在b值較高時較為明顯，而白質內的缺血病灶則相反，其在b值較低時更加清楚。

另外，本研究中ADC圖擬合曲線斜率接近于FADC圖，即隨b值增加，側腦室旁白質ADC值與額葉白質ADC值下降趨勢、幅度接近。即相對于缺血引起的ADC值升高，缺血組織毛細血管增生、微循環血流量增加對ROI組織隨b值變化擴散運動的影響不十分顯著。

3.3 ADC值與頸動脈狹窄相關性研究 Lee等[10]研究發現衰老和高血壓大鼠腦ADC值高于正常，對低灌注耐受減低。二者為頸動脈粥樣硬化的重要危險因素[11]。Minkner等[12]在應用DSA與MRI對頸動脈狹窄患者進行聯合研究發現，分水嶺區毛細血管低灌注與頸動脈狹窄程度相關。同時參考Rentsch-Granges等[13]對頸動脈狹窄患者低灌注腦白質損傷的研究，本研究選擇對前循環缺血較為敏感的，隸屬于腦內分水嶺區側腦室體前部旁白質區作為感興趣區，選擇額葉腦白質區作為對照。

側腦室旁前部腦白質ADC值平均值高于額葉腦白質區，考慮原因可能有3點：（1）正常成人半卵圓中心ADC值高于額葉[8]；（2）側腦室旁前部腦白質感興趣區屬腦內分水嶺區，更容易發生腦缺血；（3）額葉供血以大腦前動脈為主，前交通支可能對頸動脈狹窄側額葉供血起代償作用，而本研究中有3例4支狹窄血管對應顱內血管有前交通支開放。

狹窄側與健側ADC值研究結果顯示，差異同樣有統計學意義。這與Rentsch-Granges[13]結果一致。國內彭雯佳等[14]在對單側頸內動脈不同狹窄程度的患者進行雙指數及單指數模型DWI研究時發現，單指數模型狹窄側與健側中央前回及中央后回大腦灰質ADC值比較有顯著差異，這與本文對腦內分水嶺區白質ADC值的研究結果相似。彭雯佳等[14]的研究測量感興趣區為大腦皮層的彌散值，皮層血供比神經纖維束組成的白質更為豐富。皮層的毛細血管更豐富，腦血流對皮層影響最大。

本研究尚存在一定不足，選擇頸動脈中度以上狹窄的患者為研究對象，未涵蓋全部患者。另外選擇前循環供血的額葉作為相對正常腦白質區作為參照，難免受到頸內動脈供血減低的影響。再者，樣本量有限，有待于進一步擴大樣本進行研究。

綜上所述，針對于頸動脈狹窄患者，選擇b=800-1000 s/mm2對側腦室旁前部腦白質區進行顱腦擴散加權成像研究，獲得DWI及ADC圖像質量較好，各項參數相對更加穩定，更有利于顱腦低灌注損傷研究需要。

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（收稿日期：2015-10-20） （本文編輯：王宇）